雙重迷霧：零結果的陰影籠罩物理學

有些我們不知道的東西在做著我們不知道的事情。

——阿瑟·愛丁頓

科學家，就像運動員，對成功帶來的快感著迷。就像他們害怕失敗所帶來的痛苦。但有時候失敗更值得一提。2016年所有的實驗數據都迫使物理學家不得不直面這樣的失敗，而且不止一次，而是兩次。

尋找暗物質的失敗暗示著科學家或許需要新的方法來探索宇宙的奧秘。（ David Curtis）

根據理論，暗物質應該大量存在於宇宙之中，但是它仍然拒絕出現在被設計用來尋找它們的探測器和實驗之中。

過去幾十年來，物理學家一直致力於尋找全新的亞原子粒子，它們應該散布在廣袤的空間之中。如果引力只來源於發光的物質，那麼星系就旋轉的太快。肯定有某些東西在那裡——一個看不見，未經確認的引力來源，並且不像恆星和氣體那樣發光。事實上，假設愛因斯坦的廣義相對論是正確的，許多天文觀測手段都顯示宇宙中有85%的物質都屬於暗物質。

科學家相信，每秒鐘，就有數十億這些暗物質粒子穿過我們的身體。當然，我們的身體對此不會有任何的察覺。但是，一些精巧的探測器應該有能力記錄暗物質粒子撞上探測物質中的原子核所發出的光。

但是這些實驗不斷地給出零結果。比如在今年八月的時候，世界上最靈敏的暗物質探測器LUX宣布他們沒有發現任何一個可疑信號；在南極洲的IceCube尋找暗物質的候選者——惰性中微子，也給出了零結果。

世界上最靈敏的暗物質探測器宣布他們沒有找到任何暗物質的信號。（ C.H.FAHAM）

物理學家仍然在努力的尋找中，很大程度上是因為他們還有另一個動機相信暗物質是由一種全新的粒子構成，那就是超對稱理論所預言的新粒子。

物理學家之所以被超對稱吸引是因為它可以解決許多未解的問題，比如解釋等級問題。超對稱理論起源於物理學家努力地理解基本作用力和物質之間的對稱性，就像愛因斯坦的相對論的基本思想源於他對空間和時間的對稱的探索。

超對稱理論的方程預言超對稱粒子的存在，這些超對稱粒子要比現在已知的粒子重的多：所有的費米子都有一個玻色子的超對稱夥伴，以及所有的玻色子都有費米子超對稱夥伴。一個大質量的超對稱粒子有著可以作為暗物質候選者的性質；它跟普通物質之間的作用是非常弱的，因此物理學家給這樣的一種粒子取了個名字叫「大質量弱相互作用粒子」（WIMP）。

WIMP風，在六月的時候最強。（ GEOATLAS/GRAPHI-OGRE, ADAPTED BY T. DUBé）

對於許多物理學家來說，這些動機的匯合并使我們有足夠的理由相信：並沒有巧合這回事。這被稱為「WIMP奇蹟」，是尋找暗物質的主要動力。獨立於任何理論預言，天文學家明顯地觀測到神秘的引力來源，很可能是來自未知的粒子。獨立於空間中的引力異常，理論家預言新的大質量粒子散布在宇宙之中。兩者相互支援，正如幾個世紀以前牛頓的引力定律之所以贏得信任是因為它成功地解釋了行星的軌道和掉落在地面的蘋果。

許多物理學家認為世界上最強大的粒子對撞機——大型強子對撞機（LHC）——會產生WIMP。但是對暗物質的直接探測實驗並沒有找到任何WIMP的蛛絲馬跡，LHC在今年沒有看到任何產生WIMP的信號。上個月底，LHC的CMS團隊發表了他們最新的實驗結果，對於那些超對稱理論的支持者來說，結果可能會使你們失望。即使對撞機達到了有史以來最高的能量，獲取最多的數據，我們仍然沒有看到任何新的東西。

上部分為標準模型的基本粒子，下部分為它們的超對稱粒子。超對稱粒子要比它們對應的夥伴質量大的多。（ Designua）

這意味著我們應該放棄尋找WIMP嗎？仍然有希望。LHC實驗或許隨時會製造超對稱粒子；暗物質探測器也隨時可能在空中捕捉到WIMP。對WIMP的搜索仍然沒有結束，雖然時間緊迫，但科學家還有機會繼續探索。

然而，所有的零結果也可能預示著我們在追求理解宇宙的過程中有一個雙重危機。如果WIMP不存在，就有兩個巨大空白需要我們去填補。肯定有其它的東西在影響著星系的運動。也肯定存在其它的理論可以取代超對稱幫助物理學家解釋等級問題。

對稱性讓我平靜。缺少對稱性則讓我發狂。

——伊夫·聖·羅蘭

在更深層次，雙重失敗使我們對構建20世紀物理學的方法提出質疑。或許用對稱性原理來破譯自然的基本設計已經到達了一個瓶頸，我們需要去探索隱藏在自然背後更深層的基本原理。上述提到的動機或許更像是物理學家一廂情願的想法，而不是嚴謹的推理。

LHC的ATLAS實驗對撞，科學家沒有找到任何超對稱粒子的證據。（ ATLAS）

不管如何，我們都不必感到失落。這些零結果——沒有新發現——告訴我們物理學還遠遠沒有結束，我們需要學習和探索的還有很多，它也暗示了下一個重大發現很可能遠遠超出了我們目前所能想像的。或許有某些非常革命性的想法就隱藏在今天失敗的背後。但也或許不。例如，影響星系運動的神秘引力來源或許不是WIMPs，而是另一種更輕的理論粒子，稱為軸子。答案是什麼我們還不知道。

這對於那些富有創造力的科學家是一個絕佳的時期。自然越是不願意輕易顯露答案，越是能夠激發我們的好奇心和想像力。我們所要做的就是在追求真理的道路上不斷前行。

參考來源：

【1】T. Siegried. Shadows of two failed searches loom over physics. Science News.

【2】E. Conover. Dark matter come up empty. Science News. Vol. 190, November 12, 2016, p. 14.

【3】E. Conover. Supersymmetry』s absence at LHC puzzles physicists. Science News. Vol. 190, October 1, 2016, p. 12.

【4】T. Siegfried. Light in the dark. Science News. Vol. 183, January 12, 2013, p. 18.

【5】http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/SUS-15-012/index.html